Alkalische Brennstoffzelle


Alkalische Brennstoffzelle

Schematischer Aufbau einer Alkalischen Brennstoffzelle

Die Alkalische Brennstoffzelle (engl. Alkaline Fuel Cell, AFC) ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle.

Prinzip

In der Regel wird eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt verwendet, früher beispielsweise Hydrazin. Da die Lösungen alkalisch sind, hat die Zelle danach ihren Namen erhalten. Als Brenngas dient Wasserstoff an der Anode, der durch Oxidation mit reinem Sauerstoff an der Kathode umgesetzt wird. An der Anode entsteht dabei als Reaktionsprodukt Wasser, das ständig abgeführt werden muss. Dieser Zellentyp wird bei 60–120 °C betrieben.

Die der Kathode zugeführte Luft muss CO2-frei sein, da dieses sonst mit der Lauge zu einem Karbonat reagiert. Dieses ist dann ein Feststoff (weißer Niederschlag, nicht mehr gelöst), welcher die porösen Elektroden verstopft und zu einem Leistungsabfall der Zelle führt. Im Vergleich zur PEMFC hat die AFC eine geringere Leistungsdichte bei jedoch leicht besserem Wirkungsgrad aufgrund einer höheren Zellenspannung. Sie erreicht jedoch zurzeit nicht die hohen Stromdichten wie die PEMFC. Der Elektrolyt dient gleichzeitig zur Temperaturregelung des Stacks, womit kein weiterer Kühlkreislauf notwendig ist.

Anwendungsbereiche

Die AFC wird in der bemannten Raumfahrt eingesetzt, zum Beispiel bei den Apollo-Raumschiffen, dem Raumschiff LOK und im Space Shuttle. Siemens installierte AFC in U-Booten, wandte sich dann aber schließlich der PEMFC zu.

Die AFC hat in der Rüstung noch eine Zukunft, da sie den Idealen U-Boot Antrieb darstellt, der außenluftunabhängig und geräuscharm ist, als Abfallprodukt ausschließlich Wasser anfällt und sich die Wärmeentwicklung im Gegensatz zum Atom U-Boot sehr in Grenzen hält. Dadurch wird das U-Boot schwer ortbar.

Für die Raumfahrt spielen AFCs keine so große Rolle, da es im Moment nur Sonderanfertigungen sind, die dementsprechend teuer sind. Die Entwicklung steckt hier insgesamt gesehen noch in den Kinderschuhen. Auch spielt die Wasser- und Energienutzung noch eine untergeordnete Rolle und wird lediglich als Zusatz zu den bestehenden Systemen gesehen.

Reaktionsgleichungen

Gleichung
Anode $ \mathrm{2\ H_2 + 4\ OH^- \to 4\ H_2O + 4\ e^-} $
Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode $ \mathrm{O_2 + 2\ H_2O + 4\ e^- \to 4\ OH^-} $
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion $ \mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O} $
Redoxreaktion / Zellreaktion

Der innere Ladungstransport erfolgt mittels Hydroxidionen. Auf der Kathodenseite benötigt die Reaktion Wasser und produziert welches auf der Anodenseite. Um den Wasserbedarf auf der Kathodenseite zu decken, wird die Rückdiffusion durch die Membran verwendet.

Vor- und Nachteile gegenüber anderen Brennstoffzellen

Vorteile einer AFC sind:

Nachteile sind:

  • sehr empfindlich gegen Verschmutzungen, insbesondere durch CO2
  • niedrige Lebensdauer, bedingt durch den korrosiven Elektrolyten

Ein gutes Potential zur Weiterentwicklung haben alkalische Brennstoffzellen. Forschungen beschäftigen sich insbesondere mit unterschiedlichen Materialien für Membranen und Elektroden. Als besonders wirkungsvoll haben sich hierbei Elektroden aus Gold erwiesen.[1]

Einzelnachweise

  1.  Paola Quaino, Noelia B. Luque, Renat Nazmutdinov, Elizabeth Santos, Wolfgang Schmickler: Warum ist Gold in alkalischer Lösung so ein guter Katalysator für die Sauerstoffreduktion?. In: Angewandte Chemie. 124, Nr. 48, 2012, ISSN 1521-3757, doi:10.1002/ange.201205902.

Weblinks